JP2013012728A - ボンディングワイヤ、接続部構造、並びに半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

ボンディングワイヤ、接続部構造、並びに半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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hardness
magnesium
silicon
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Isataka Fujii
功隆 藤井
Hitoshi Onuki
仁 大貫
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Nippon Piston Ring Co Ltd
Ibaraki University NUC
Original Assignee
Nippon Piston Ring Co Ltd
Ibaraki University NUC
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Abstract

【課題】被接続部材との接続部におけるクラックの発生および進展を抑止する。
【解決手段】半導体装置１０は、少なくともマグネシウムおよびシリコンを含有し、且つマグネシウムおよびシリコンの含有量の合計が０．０３ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であるアルミニウム合金からなるボンディングワイヤ１７と、このボンディングワイヤ１７が接続されるシリコンチップ１６と、の接続部構造１５を備える。シリコンチップ１６の表面には、アルミニウム−シリコンフィルム１６ａが形成されている。接続部構造１５は、ボンディングワイヤ１７を構成するマトリクス層１７ａ内と、このマトリクス層１７ａおよびアルミニウム−シリコンフィルム１６ａの間に形成されるアルミニウム合金の微細粒層１７ｂ内と、マトリクス層１７ａおよび微細粒層１７ｂの界面とに、マグネシウムおよびシリコンを含む化合物１８を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばパワー半導体に適したボンディングワイヤおよび接続部構造、並びにこれらを備える半導体装置およびその製造方法に関する。
半導体の一種であるＳｉデバイスは、個別素子として、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ、集積回路としてマイコンやメモリ、通信デバイス等に使用されている。
マイコンやメモリでは、Ｓｉデバイスは演算・記憶の働きをしている。一方、パワー半導体と呼ばれる電力制御に用いられるＳｉデバイスもある。パワー半導体により、整流、周波数変換、昇降圧等が可能であり、例えば、モータの駆動やバッテリーの充電等、様々な用途に用いられている。パワー半導体の種類としては、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーバイポーラトランジスタ、サイリスタ等がある。これらの中でＩＧＢＴは、デバイスの容量と動作周波数の対応範囲が大きいことや、コストパフォーマンスに優れること等により、市場においては広く用いられている。
ＩＧＢＴは、工業上、複数のシリコンチップを並列に接続したモジュール構造として使用されるケースが多い。シリコンチップ一つ当たりに流れる電流は最大１００Ａ程度であるが、モジュール構造とすることで大電流を扱える。このようなＩＧＢＴは、風力や太陽光等を利用する発電機、産業用ロボット、自動車や電車のインバータ等に使用されている。近年は、ハイブリッド（ＨＶ）車及び電気自動車の増加により、自動車への使用度合が増している。
自動車に使用するＩＧＢＴは、温度保証基準が厳しくなりつつある。従来は１２０℃保証が一般的であったが、今では１５０℃保証が一般的になっており、今後さらに厳しくなることが予想される。しかし、狭いスペースに複数の部品を密集させている自動車においては、ＩＧＢＴの小型化が求められており、小型化による発熱量の増加によって、厳しくなる温度保証基準を満たすことが難しくなっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８−３１１３８３号公報（段落［０００３］参照）
発熱によるＩＧＢＴの破壊には、ヒートシンクとして機能する銅板とシリコンチップがのるセラミックス基板との半田接合部の劣化によるものと、シリコンチップとボンディングワイヤ接合部の劣化によるものとがある。ボンディングワイヤの接合部の劣化は、パワーモジュールの運転中に加熱と冷却との繰返しで生じる熱応力に起因するものであり、ボンディングワイヤおよびシリコンチップの線膨張係数の違いからこれらの接続部付近に発生するクラックが、界面近傍で進展した結果である。
複数のシリコンチップを接続したモジュール構造を有するＩＧＢＴにおいて、一箇所のボンディングワイヤの劣化により断線した場合、そのボンディングワイヤに流れていた電流は、他のボンディングワイヤに流れる。他のボンディングワイヤは、流れる電流の増加により発熱量が増す為、加速度的に劣化が進行し、やがては連鎖的に断線する。
したがって、厳しくなる温度保証基準を満たすためには、ボンディングワイヤと、シリコンチップ等の被接続部材との接続部におけるクラックの発生および進展を抑止し、耐熱サイクル性を向上させることが有効である。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、被接続部材との接続部におけるクラックの発生および進展を抑止するボンディングワイヤ、およびその接続部構造、並びにこれらを備える半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
（１）本発明は、少なくともマグネシウムおよびシリコンを含有し、且つ前記マグネシウムおよび前記シリコンの含有量の合計が０．０３ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であるアルミニウム合金からなることを特徴とする、ボンディングワイヤである。
本発明によれば、マグネシウムおよびシリコンによる固溶体強化により、クラックの発生が防止される。更に、時効処理を施すことで、ボンディングワイヤ内に、マグネシウムおよびシリコンからなる化合物、例えばＭｇ２Ｓｉ（マグネシウムシリサイドと称す）が析出し、この化合物による析出強化により、被接続部材との接続部にクラックが発生した場合であっても、クラック進展が防止される。
（２）本発明はまた、１０μｍ以上５００μｍ以下の直径を有することを特徴とする、上記（１）に記載のボンディングワイヤである。
（３）本発明はまた、時効処理による初期硬さから最大硬さまでの最大硬さ上昇量を基準として、当該最大硬さ上昇量の４０％以上の硬さ上昇が得られるまで時効処理が施されていることを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載のボンディングワイヤである。
上記発明によれば、ボンディングワイヤが最大硬さに達していないので、ボンディングワイヤを被接続部材に接続する際に、ボンディングワイヤの硬さに起因して被接続部材が損傷することを防止できる。当該接続部を備える半導体装置においては、使用時の発熱によりボンディングワイヤの時効硬化がさらに進行する。これにより、当該接続部の更なる寿命向上が図られる。
（４）本発明はまた、硬さが４５Ｈｍｖ以下となることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれかに記載のボンディングワイヤである。
（５）本発明はまた、硬さが３５Ｈｍｖ以下となることを特徴とする、上記（４）に記載のボンディングワイヤである。
（６）本発明はまた、前記アルミニウム合金は、銅を０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下含有することを特徴とする、上記（１）〜（５）のいずれかに記載のボンディングワイヤである。
上記発明によれば、Ａｌ２Ｃｕ粒子やＡｌ２ＣｕＭｇ粒子等が析出する為、硬さがさらに向上する。
（７）本発明はまた、前記アルミニウム合金は、ニッケルを０．００１ｗｔ％以上０．０１ｗｔ％以下含有することを特徴とする、上記（１）〜（６）のいずれかに記載のボンディングワイヤである。
上記発明によれば、耐湿性が向上する。
（８）本発明はまた、上記（１）〜（７）のいずれかに記載のボンディングワイヤと、前記ボンディングワイヤが接続され、アルミニウム材料からなる被接続部材と、の接続部構造であって、前記ボンディングワイヤを構成するマトリクス層内と、前記マトリクス層および前記被接続部材の間に形成される前記アルミニウム合金の微細粒層内と、前記マトリクス層および前記微細粒層の界面とに、マグネシウムと、シリコンと、を含む化合物が析出していることを特徴とする、接続部構造である。
上記発明によれば、アルミニウム合金からなるボンディングワイヤが含有するマグネシウムおよびシリコンによる固溶体強化及び析出強化により、クラックの発生が防止される。また、化合物による析出強化により、被接続部材との接続部にクラックが発生した場合、そのクラックの進展が防止される。
（９）本発明はまた、前記化合物は、アルミニウムを含むことを特徴とする、上記（８）に記載の接続部構造である。
（１０）本発明はまた、前記化合物の析出量は、前記界面方向の断面の面積比率で０．５％以上であることを特徴とする、上記（８）又は（９）に記載の接続部構造である。
（１１）本発明はまた、上記（８）〜（１０）のいずれかに記載の接続部構造を備えることを特徴とする、半導体装置である。
（１２）本発明はまた、上記（１１）に記載の半導体装置を製造する方法であって、前記被接続部材に前記ボンディングワイヤを接続した後に、前記ボンディングワイヤに時効処理を施すことを特徴とする、半導体装置の製造方法である。
本発明の上記（１）〜（７）のいずれかに記載のボンディングワイヤ、上記（８）〜（１０）のいずれかに記載の接続部構造、上記（１１）に記載の半導体装置、および上記（１２）に記載の半導体装置の製造方法によれば、被接続部材との接続部におけるクラックの発生および進展を抑止できる。
本発明の半導体装置を示す外観斜視図である。 図１に示す半導体装置の主要断面図である。 （Ａ）は、図１に示す半導体装置が備える接続部構造の断面図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は、（Ａ）に示すマトリクス層および微細粒層の界面における断面を撮影した写真である。 アルミニウム合金の硬さを示すグラフであり、横軸に添加量を、縦軸にアルミニウム合金の硬さを、それぞれ示す。 （Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、時効処理による硬さの推移を示すグラフであり、横軸に処理時間を、縦軸に硬さを、それぞれ示す。 （Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、図３に示す接続部構造におけるせん断強度を示すグラフであり、横軸に冷熱サイクル数を、縦軸にせん断強度を、それぞれ示す。 （Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、図３に示す接続部構造におけるせん断強度の劣化率を示すグラフであり、横軸に冷熱サイクル数を、縦軸にせん断強度の劣化率を、それぞれ示す。 図３に示す接続部構造におけるせん断強度の劣化率を示すグラフであり、横軸にマグネシウムシリサイドの添加量を、縦軸にせん断強度の劣化率を、それぞれ示す。 時効処理による引張強度の推移を示すグラフであり、横軸に処理時間を、縦軸に引張強度を、それぞれ示す。 （Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、アルミニウム合金の硬さを示すグラフであり、横軸に添加量を、縦軸にアルミニウム合金の硬さを、それぞれ示す。
以下、図面を参照して、本発明に係る半導体装置１０について詳細に説明する。
まず、図１〜図３を用いて、半導体装置１０の構成について説明する。図１は、半導体装置１０を示す外観斜視図である。図２は、半導体装置１０の主要断面図である。図３（Ａ）は、接続部構造１５の断面図である。図３（Ｂ）は、マトリクス層１７ａおよび微細粒層１７ｂの界面における断面を撮影した写真であり、化合物１８が棒状析出物として形成されている部分を示す。図３（Ｃ）は、マトリクス層１７ａおよび微細粒層１７ｂの界面における断面を撮影した写真であり、化合物１８が粒状析出物として形成されている部分を示す。
図１および図２に示す半導体装置１０は、パワー半導体の一種のＩＧＢＴモジュールである。この半導体装置１０は、ハイブリッド車等に搭載され、電力の制御に用いられる。
半導体装置１０は、ヒートシンクとして機能する銅板（Ｃｕプレート）１１と、この銅板１１上に配置されるセラミックス基板１９及び樹脂製の筐体１２と、等を備えている。筐体１２の内部には、複数の回路層１３と、複数のシリコンチップ（Ｓｉチップ）１６と、これら複数のシリコンチップ１６の相互間、またはシリコンチップ１６および回路層１３の間に配線される複数のボンディングワイヤ１７と、等が配置されている。回路層１３およびシリコンチップ１６は、ボンディングワイヤ１７が接続される被接続部材として機能している。なお、シリコンチップ１６上には、アルミ電極パット１６ａが成膜されている。ボンディングワイヤ１７は、シリコンチップ１６上に成膜されたアルミ電極パット１６ａに接合される。
ボンディングワイヤ１７は、アルミニウム（Ａｌ）合金からなる。アルミニウム合金は、少なくともマグネシウム（Ｍｇ）およびシリコンを含有し、且つマグネシウムおよびシリコンの含有量の合計が０．０３ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であることが好ましく、その合計が０．１ｗｔ％以上０．９ｗｔ％以下であることがより好ましい。更に好ましくは、０．２ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下であることが好ましい。
マグネシウムおよびシリコンの合計の含有率を０．０３ｗｔ％以上とすることが好ましい理由は、マグネシウムおよびシリコンの合計の含有率をその値未満にすると、そもそも、アルミニウム合金の硬さが得られないからである。マグネシウムおよびシリコンの合計の含有率を１．０ｗｔ％以下とすることが好ましい理由は、マグネシウムおよびシリコンの合計の含有率がその値を超えるようにすると、アルミニウム合金が硬くなりすぎて、ボンディングワイヤ１７をアルミ電極パット１６ａを介してシリコンチップ１６に接続する際に、ボンディングワイヤ１７の硬さに起因してシリコンチップ１６が損傷してしまうからである。
ボンディングワイヤ１７は、パワー半導体用であり、所定の直径を有する。ボンディングワイヤ１７の直径は、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。好ましくは、１００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。
ボンディングワイヤ１７は、６０℃以下の常温でボンディングするタイプのもので、時効処理前又は時効処理途中に３５Ｈｍｖ以下の硬さ（ビッカース硬さ）であることが好ましく、ボンディングの前又は後に時効処理により硬化させられる。また、ボンディングワイヤ１７は、１６０℃以上２２０℃以下の高温でボンディングするタイプのもので、時効処理前又は時効処理途中に常温において４５Ｈｍｖ以下で、かつ、高温にして３５Ｈｍｖ以下となる硬さ（ビッカース硬さ）であることが好ましく、ボンディングの前又は後に時効処理により硬化させられる。
図３（Ａ）に示す符号１５は、シリコンチップ１６とボンディングワイヤ１７との接続部構造である。この接続部構造１５において、ボンディングワイヤ１７がシリコンチップ１６に接合されている。ボンディングワイヤ１７の接合には、超音波振動を加える超音波接続技術が用いられている。接合後には、処理温度が常温〜３００℃の時効処理が施されている。時効処理は、当該時効処理による初期硬さから最大硬さまでの最大硬さ上昇量を基準として、当該最大硬さ上昇量の４０％以上の硬さが得られるまでの処理時間施す。なお、好ましくは、最大硬さ上昇量の４０％以上７０％以下の硬さが得られるまでの処理時間施すことが好ましい。
シリコンチップ１６は、その表面に、アルミ電極パットとして機能するアルミニウム材料のアルミニウム−シリコンフィルム１６ａが形成されている。ボンディングワイヤ１７は、マトリクス層１７ａと、このマトリクス層１７ａおよびシリコンフィルム１６ａの間に形成されるアルミニウム合金の微細粒層１７ｂと、を有する。この微細粒層１７ｂは、超音波接合時のひずみ部位が再結晶することで形成されている。マトリクス層１７ａ内と、微細粒層１７ｂ内と、マトリクス層１７ａおよび微細粒層１７ｂの界面とには、マグネシウムおよびシリコンを含む化合物１８が形成されている。具体的には、微細粒層１７ｂのアルミニウム−シリコンフィルム１６ａとの界面から（図３（Ａ）においては上方側に）所定の範囲に、マグネシウムおよびシリコンを含む化合物１８が形成されている。この化合物１８は、時効処理を施すことによって析出している。なお、化合物１８が、微細粒層１７ｂのアルミニウム−シリコンフィルム１６ａとの界面からボンディングワイヤ１７方向に２０μｍの範囲において、微細粒層１７ｂとアルミニウム−シリコンフィルム１６ａとの界面方向（図３（Ａ）における左右方向）の断面の面積比率で０．５％以上析出していることで、ボンディングワイヤ１７のシリコンチップ１６との接続部にクラックが発生した場合であっても、そのクラックの進展が防止される。なお、実際の化合物１８の状態は、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に示す写真を確認されたい。化合物１８は、形成されている部分によって形態が異なる。すなわち、化合物１８は、図３（Ｂ）に示されるように棒状析出物として形成されたり、図３（Ｃ）に示されるように粒状析出物として形成されたりする。なお、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ２Ｓｉ）を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金からなるボンディングワイヤ１７を、４００℃で１時間溶体化処理し、その後、２００℃で４時間時効硬化処理したものを示している。
［実験１］次に、各種アルミニウム合金の硬さを調べた実験１を、図４を用いて説明する。図４は、各種アルミニウム合金の硬さを示すグラフであり、横軸に添加量［ｗｔ％］を、縦軸に各種アルミニウム合金の硬さ［Ｈｍｖ］を、それぞれ示す。なお、各種アルミニウム合金の硬さは、常温にて、ビッカース硬さ試験によって調べた。各実験における常温とは、２０℃〜３０℃のことをいう。
実験１では、銅、マグネシウム、マグネシウムシリサイド、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）の各々、又はマグネシウムシリサイドに加え、０．０１ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）、０．１ｗｔ％の銅、若しくは１ｗｔ％の銅を混ぜたものを、アルミニウムに添加させた各種アルミニウム合金を試料として用いた。なお、各種アルミニウム合金は、鋳造直後であって、時効処理が施されていないものを用いた。
銅を含有するアルミニウム合金については、銅の添加量が、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、１．０ｗｔ％の各々の場合について調べた。マグネシウムシリサイドを含有するアルミニウム合金については、マグネシウムシリサイドの添加量が、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．８ｗｔ％、１．０ｗｔ％の各々の場合について調べた。マグネシウム、マンガンを含有する各アルミニウム合金については、マグネシウム、マンガンの添加量が、０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、１．０ｗｔ％の各々の場合について調べた。鉄、ジルコニウムを含有するアルミニウム合金については、鉄、ジルコニウムの添加量が、０．０５ｗｔ％、０．１ｗｔ％、０．３ｗｔ％の各々の場合について調べた。クロムを含有するアルミニウム合金については、クロムの添加量が、０．１ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％の各々の場合について調べた。マグネシウムシリサイドに加え、０．０１ｗｔ％のニッケル、０．１ｗｔ％の銅、又は１ｗｔ％の銅を混ぜたものを含有する各アルミニウム合金については、０．０１ｗｔ％のニッケルを混ぜたマグネシウムシリサイド、０．１ｗｔ％の銅を混ぜたマグネシウムシリサイド、１ｗｔ％の銅を混ぜたマグネシウムシリサイドの添加量が０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．８ｗｔ％の各々の場合について調べた。
なお、従来のボンディングワイヤは、銅を含有するアルミニウム合金からなる。そこで、実験１では、銅を含有するアルミニウム合金との関係で判定した。
図４に示すように、マグネシウムシリサイドを含有するアルミニウム合金は、添加量が０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％および０．５ｗｔ％の場合に、銅を含有するアルミニウム合金よりも高い硬さを有し、評価は○とした。一方で、マグネシウムシリサイドを含有するアルミニウム合金は、添加量が１．０ｗｔ％の場合に、銅を含有するアルミニウム合金の１．２５倍程度の硬さを有し、評価は○とした。
０．０１ｗｔ％のニッケルを混ぜたマグネシウムシリサイド、０．１ｗｔ％の銅を混ぜたマグネシウムシリサイド、１ｗｔ％の銅を混ぜたマグネシウムシリサイドを含有するアルミニウム合金は、マグネシウムシリサイドの添加量がいずれの場合にも、銅を含有するアルミニウム合金よりも高い硬さを有し、評価は○とした。
マグネシウムを含有するアルミニウム合金は、添加量がいずれの場合にも、銅を含有するアルミニウム合金と同等の硬さを有し、評価は○とした。
鉄、マンガン、クロム、ジルコニウムを含有するアルミニウム合金は、添加量がいずれの場合にも、銅を含有するアルミニウム合金よりも低い硬さを有し、評価は×とした。
［実験２］次に、純アルミニウムおよび各種アルミニウム合金に関し、時効処理による硬さの推移を調べた実験２を、図５（Ａ）および図５（Ｂ）を用いて説明する。図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、時効処理による硬さの推移を示すグラフであり、横軸に処理時間［分］を、縦軸に硬さ［Ｈｍｖ］を、それぞれ示す。なお、純アルミニウムおよび各種アルミニウム合金の硬さは、常温にて、ビッカース硬さ試験によって調べた。処理温度は１８０℃とした。
マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有すると共に銅を０．１ｗｔ％含有するアルミニウム合金については、処理時間が、０分、１０００分、２０００分、３０００分、４０００分、９０００分、１４０００分、２３０００分の各々の場合について、複数回ずつ調べた。純アルミニウムについては、処理時間が０分の場合について、複数回調べた。なお、図５（Ａ）は、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、および銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金について、データを個別に示している。図５（Ｂ）は、各種アルミニウム合金について、４回調べたデータを平均して示している。
図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、各種アルミニウム合金の硬さは、純アルミニウム合金と比較して、大きな値を示した。銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金の硬さや、マグネシウムを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金の硬さは、時間の推移に関係なく略一定であった。
マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金の硬さは、９０００分まで増加し続け、９０００分から徐々に減少した。すなわち、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金には、９０００分までの期間に時効硬化が見られた。
［実験３］次に、各種アルミニウム合金のせん断強度を調べた実験３を、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図７（Ａ）、および図７（Ｂ）を用いて説明する。図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、それぞれ、接続部構造１５におけるせん断強度を示すグラフであり、横軸に冷熱サイクル数［回］を、縦軸にせん断強度［Ｎ］を、それぞれ示す。せん断強度とは、接続部構造１５を構成する材料が、破断せずに耐えられる最大せん断応力のことをいう。図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、接続部構造１５におけるせん断強度の劣化率を示すグラフであり、横軸に冷熱サイクル数［回］を、縦軸にせん断強度の劣化率［％］を、それぞれ示す。せん断強度の劣化率とは、冷熱サイクル数が０回の場合を基準とする劣化の度合を、百分率で示した値のことをいう。なお、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図７（Ａ）、および図７（Ｂ）において、グラフに示す各プロットは、１６回の実験で得られた平均値である。各種アルミニウム合金のせん断強度は、常温にて調べた。
本実験３は、半導体装置１０の使用による発熱と冷却との繰返しを模擬的に作り出したものである。一つの冷熱サイクルは、１００秒で７０℃から１２０℃に加熱する加熱ステップと、その直後の７０秒で１２０℃から７０℃に冷却する冷却ステップと、を備える。各冷熱サイクルは、間隔を空けずに繰り返した。
ニッケルを０．００５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．８ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有すると共に銅を０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有すると共にニッケルを０．０１ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％、銅を０．３ｗｔ％、ニッケルを０．０１ｗｔ％含有するアルミニウム合金については、冷熱サイクル数が、０回、５００回、１０００回、２０００回、３０００回、５０００回、１００００回の各々の場合について調べた。なお、各アルミニウム合金は、時効処理を施しているものとした。
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図７（Ａ）、および図７（Ｂ）に示すように、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．８ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有すると共に銅を０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有すると共にニッケルを０．０１ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％、銅を０．３ｗｔ％、ニッケルを０．０１ｗｔ％含有するアルミニウム合金は、それぞれ、冷熱サイクルによる劣化が、ニッケルを０．００５ｗｔ％含有するアルミニウム合金の約１０分の１となり、銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金の約２分の１となった。
また、冷熱サイクル初期の劣化がマグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．８ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有すると共に銅を０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有すると共にニッケルを０．０１ｗｔ％含有するアルミニウム合金、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％、銅を０．３ｗｔ％、ニッケルを０．０１ｗｔ％含有するアルミニウム合金は、それぞれ、ニッケルを０．００５ｗｔ％含有するアルミニウム合金や、銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金に比べて、冷熱サイクル進行による劣化度合いの増大も小さかった。
ニッケルを０．００５ｗｔ％含有するアルミニウム合金は、冷熱サイクル数が増すにつれて、せん断強度が低下し、すなわち、せん断強度劣化率が上昇した。
［実験４］次に、各種アルミニウム合金のせん断強度を調べた実験４を、図８を用いて説明する。図８は、接続部構造１５におけるせん断強度の劣化率を示すグラフであり、横軸にマグネシウムシリサイドの添加量［ｗｔ％］を、縦軸にせん断強度の劣化率を、それぞれ示す。
本実験４で必要なデータは、実験３で得られたデータを用いている。すなわち、半導体装置１０の使用による発熱と冷却との繰返しを模擬的に作り出したものである。一つの冷熱サイクルは、１００秒で７０℃から１２０℃に加熱する加熱ステップと、その直後の７０秒で１２０℃から７０℃に冷却する冷却ステップと、を備える。各冷熱サイクルを、間隔を空けずに１００００回繰り返した。各種アルミニウム合金のせん断強度は、常温にて調べた。
マグネシウムシリサイドの添加量が、０．１ｗｔ％、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．８ｗｔ％の各々に場合について調べた。なお、従来のボンディングワイヤは、銅を含有するアルミニウム合金からなるので、銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金の劣化率と比較した。
マグネシウムシリサイドを含有するアルミニウム合金は、添加量がいずれの場合にも、銅を含有するアルミニウム合金よりも低い劣化率を有し、評価は○とした。
［実験５］次に、各種アルミニウム合金に関し、時効処理による引張強度の推移を調べた実験５を、図９を用いて説明する。図９は、時効処理による引張強度の推移を示すグラフであり、横軸に処理時間［時間（ｈ）］を、縦軸に引張強度［ＭＰａ］を、それぞれ示す。なお、常温にて、ひずみ速度２％／分として調べた。また、直径０．３ｍｍ、長さ５０ｍｍのボンディングワイヤを試験片とした。
マグネシウムシリサイドを０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、ニッケルを０．００５ｗｔ％含有するアルミニウム合金について、処理時間が、０時間、１０時間、２０時間、３０時間の各々の場合について調べた。
図９に示すように、マグネシウムシリサイドを含有するアルミニウム合金の引張強度は、銅又はニッケルを含有するアルミニウム合金と比較して、時効時間に関係なく大きな値を示した。また、マグネシウムシリサイドを含有するアルミニウム合金の引張強度は、時効時間が長くなるにつれて増加した。
［実験６］次に、マグネシウムシリサイドを含有するアルミニウム合金に関し、硬さの変化を調べた実験６を、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）を用いて説明する。図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、それぞれ、アルミニウム合金の硬さを示すグラフであり、横軸に添加量［ｗｔ％］を、縦軸にアルミニウム合金の硬さ［Ｈｍｖ］を、それぞれ示す。アルミニウム合金の硬さは、常温にて、ビッカース硬さ試験によって調べた。
鋳造後の硬さ、溶体化処理後の硬さ（時効処理前の硬さ、時効処理による初期硬さ）、時効処理による最大硬さの各々については、マグネシウムシリサイドの添加量が、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、１．０ｗｔ％の各々の場合について調べた。時効処理による最大硬さまでの硬さの変化量（＝時効処理による最大硬さ−溶体化処理後の硬さ）については、０．０１ｗｔ％、０．０３ｗｔ％、０．１ｗｔ％、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、１．０ｗｔ％の各々の場合について調べた。
図１０（Ｂ）に示すように、時効処理による最大硬さまでの硬さの変化量は、マグネシウムシリサイドの添加量が増加するにつれて、（図１０（Ｂ）のグラフにおいて対数関数を描くように）大きくなった。
このように、半導体装置１０によれば、ボンディングワイヤ１７が含有するマグネシウムおよびシリコンによる固溶体強化により、ボンディングワイヤ１７へのクラックの発生が防止される。また、微細粒層１７ｂとアルミニウム−シリコンフィルム１６ａとの界面に析出する化合物１８による析出強化により、ボンディングワイヤ１７のシリコンチップ１６との接続部にクラックが発生した場合であっても、そのクラックの進展が防止される。
また、ボンディングワイヤ１７が最大硬さに達していないので、ボンディングワイヤ１７をシリコンチップ１６に接続する際に、ボンディングワイヤ１７の硬さに起因してシリコンチップ１６が損傷することが防止される。半導体装置１０の使用時には、発熱によるボンディングワイヤ１７の時効硬化がさらに進行する。これにより、接続部構造１５の寿命向上が図られる。
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨および技術的思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
すなわち、上記実施形態において、ボンディングワイヤ１７がニッケルを０．００１ｗｔ％以上０．０１ｗｔ％以下や銅を０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下含有するようにしてもよい。ニッケルを含有させた場合、耐湿性が向上する。銅を含有させた場合、硬さがさらに向上する。
あるいは、上記実施形態において、時効処理は、当該時効処理による初期硬さから最大硬さまでの最大硬さ上昇量を基準として、当該最大硬さ上昇量の４０％以上の硬さが得られるまでの処理時間施しているが、接合前のワイヤにて最大硬さまで時効硬化する場合もあり、また、接合前には時効処理せずに、接合後の使用時温度にて時効硬化が進行する場合もある。
あるいは、上記実施形態において、半導体装置１０として、ＩＧＢＴモジュールに代えて、一般のパワーモジュール、パワーＭＯＳトランジスタ、ダイオードモジュール等としてもよい。
１０ 半導体装置
１１ 銅板（Ｃｕプレート）
１２ 筐体
１３ 回路層（被接続部材）
１５ 接続部構造
１６ シリコンチップ（Ｓｉチップ、被接続部材）
１６ａ アルミニウム−シリコンフィルム（アルミニウム材料、アルミ電極パット）
１７ ボンディングワイヤ（アルミニウム合金）
１７ａ マトリクス層
１７ｂ 微細粒層
１８ 化合物
１９ セラミックス基板

Claims (12)

  1. 少なくともマグネシウムおよびシリコンを含有し、且つ前記マグネシウムおよび前記シリコンの含有量の合計が０．０３ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であるアルミニウム合金からなることを特徴とする、
    ボンディングワイヤ。
  2. １０μｍ以上５００μｍ以下の直径を有することを特徴とする、
    請求項１に記載のボンディングワイヤ。
  3. 時効処理による初期硬さから最大硬さまでの最大硬さ上昇量を基準として、当該最大硬さ上昇量の４０％以上の硬さ上昇が得られるまで時効処理が施されていることを特徴とする、
    請求項１又は２に記載のボンディングワイヤ。
  4. 硬さが４５Ｈｍｖ以下となることを特徴とする、
    請求項１〜３のいずれかに記載のボンディングワイヤ。
  5. 硬さが３５Ｈｍｖ以下となることを特徴とする、
    請求項４に記載のボンディングワイヤ。
  6. 前記アルミニウム合金は、銅を０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下含有することを特徴とする、
    請求項１〜５のいずれかに記載のボンディングワイヤ。
  7. 前記アルミニウム合金は、ニッケルを０．００１ｗｔ％以上０．０１ｗｔ％以下含有することを特徴とする、
    請求項１〜６のいずれかに記載のボンディングワイヤ。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載のボンディングワイヤと、前記ボンディングワイヤが接続され、アルミニウム材料からなる被接続部材と、の接続部構造であって、
    前記ボンディングワイヤを構成するマトリクス層内と、前記マトリクス層および前記被接続部材の間に形成される前記アルミニウム合金の微細粒層内と、前記マトリクス層および前記微細粒層の界面とに、マグネシウムと、シリコンと、を含む化合物が析出していることを特徴とする、
    接続部構造。
  9. 前記化合物は、アルミニウムを含むことを特徴とする、
    請求項８に記載の接続部構造。
  10. 前記化合物の析出量は、前記界面方向の断面の面積比率で０．５％以上であることを特徴とする、
    請求項８又は９に記載の接続部構造。
  11. 請求項８〜１０のいずれかに記載の接続部構造を備えることを特徴とする、
    半導体装置。
  12. 請求項１１に記載の半導体装置を製造する方法であって、
    前記被接続部材に前記ボンディングワイヤを接続した後に、前記ボンディングワイヤに時効処理を施すことを特徴とする、
    半導体装置の製造方法。
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